O ensaio ultrassônico é um método de ensaio não destrutivo que utiliza ondas sonoras de alta frequência para inspecionar a estrutura interna de um material sem danificá-lo.
Funciona como um ultrassom médico aplicado a componentes industriais, enviando pulsos sonoros através de uma peça e analisando os ecos de retorno para detectar defeitos ou medir espessuras.
Para verificar se uma solda está íntegra em todo o seu comprimento ou medir a espessura da parede de um tubo pelo lado externo, por exemplo, é a solução ideal.
Neste artigo, vou explicar como funciona o ensaio ultrassônico.
Vamos revisar suas principais aplicações na detecção de defeitos, medição de espessura e caracterização de materiais, e entender por que é amplamente adotado nos setores aeroespacial, de petróleo e gás, e de transportes.
Em seguida, exploraremos os equipamentos, técnicas, vantagens e limitações desta poderosa tecnologia de inspeção.
Vamos lá!
Índice
O Que É o Ensaio Ultrassônico?
O ensaio ultrassônico (UT, do inglês) é um método de ensaio não destrutivo (END) que utiliza ultrassom de qualidade industrial para garantir que uma peça não contenha fissuras ocultas ou espessuras fora de conformidade.
A ideia básica é enviar ondas sonoras de frequência muito alta através de um material (como um tubo, por exemplo) para detectar problemas ocultos sem causar danos.
Essas ondas sonoras têm frequências muito além da audição humana, entre 0,1 e 15 megahertz (MHz), mas podem às vezes atingir até 50 MHz.
O princípio básico é simples.
Um dispositivo envia um pulso sonoro na peça que você está inspecionando. Se a onda sonora atravessa sem encontrar problemas, ela se comporta de maneira previsível.
Mas se encontra uma fissura, um vazio ou uma mudança no material, parte dessa energia sonora retorna na forma de eco. Ao analisar esses ecos de retorno, um técnico pode localizar defeitos ocultos dentro de um componente.
Essa capacidade de inspecionar todo o volume de uma peça torna o método muito poderoso em comparação com outras técnicas.
Técnicas como as réplicas Plastiform, líquido penetrante ou partículas magnéticas são excelentes para encontrar defeitos de superfície, mas não conseguem ver o que está acontecendo internamente.
O ensaio ultrassônico oferece uma visão abaixo da superfície.
Para manter a consistência, os técnicos utilizam um vocabulário padronizado para os resultados dos ensaios e equipamentos, descrito na norma ASTM E1316-23.
Outra vantagem é a segurança.
Diferentemente da radiografia que utiliza raios X, as ondas sonoras de alta frequência usadas no UT são totalmente inofensivas para os operadores.
Isso permite realizar inspeções em áreas de trabalho movimentadas sem necessidade de precauções especiais de segurança relacionadas à radiação.
O que representa uma enorme vantagem para plantas industriais.
Como Funciona o Ensaio Ultrassônico?
O ensaio ultrassônico é uma espécie de sonar industrial.
Como mencionei no capítulo anterior, basicamente você envia um som de alta frequência para uma peça e depois analisa os ecos de retorno. Esses ecos criam uma imagem do que está acontecendo dentro do material. Este método revela defeitos ocultos ou mede espessuras sem causar danos ao componente.
Um sistema de inspeção típico contém alguns elementos essenciais:
- Um transdutor, que é a parte que você coloca contra o material.
- Um emissor/receptor que cria e escuta os sinais elétricos. Ele envia um pulso de alta tensão para o transdutor.
- Um cristal piezelétrico especial dentro do transdutor que vibra sob o efeito da eletricidade, criando a onda sonora.
Quando os ecos retornam, o cristal converte o som em sinal elétrico, que aparece em uma tela para análise.
Na tela de exibição, os ecos de retorno aparecem como picos.
A altura, ou amplitude, de um pico representa a intensidade da reflexão, dando uma ideia do tamanho do refletor.
A posição do pico ao longo do eixo de tempo ou distância indica quanto tempo o som levou para viajar. A partir deste tempo de trânsito, um técnico pode calcular a profundidade precisa de um defeito.
Esta é a configuração básica que você utilizará, mas existem vários tipos (ou “subtecnologias”).
Pulso-eco
Nesta configuração, um único transdutor atua tanto como alto-falante quanto microfone.
Ele direciona uma curta rajada de som para a peça e depois escuta as reflexões. Um eco retornará da face traseira do material, chamada “parede traseira“, ou de qualquer descontinuidade interna como uma fissura.
É uma maneira muito prática de realizar ensaios, pois você só precisa acessar um lado do componente: não há necessidade de mover ou desmontar a peça para testá-la.
Um ponto positivo para indústrias como petróleo e gás, onde os dutos são muito grandes e difíceis de movimentar.
Transmissão por transparência
Esta abordagem utiliza dois transdutores separados.
Um envia o som de uma superfície, e um receptor no lado oposto o escuta.
Se um defeito existe entre eles, ele bloqueará ou enfraquecerá o som. O receptor então capta um sinal mais fraco ou nenhum sinal.
Acoplantes
O ar é um meio ruim para transferir som de alta frequência. Se você coloca um transdutor seco em uma superfície metálica, a maior parte da energia sonora se reflete na superfície.
Para obter uma boa transferência sonora, você precisa de um acoplante líquido.
Geralmente é um gel, óleo ou água que preenche os minúsculos espaços de ar entre o transdutor e a peça de ensaio.
Algumas técnicas modernas não necessitam de acoplante. Métodos como o transdutor acústico eletromagnético (EMAT) ou a excitação a laser geram som diretamente na peça.
São perfeitos para inspecionar objetos muito quentes, rugosos ou em movimento rápido, onde o uso de acoplante líquido não é viável.
Interação das ondas sonoras com os materiais
Quando uma onda sonora encontra um limite com um material diferente, parte dela retorna.
Isso é reflexão.
Ocorre devido a uma propriedade chamada impedância acústica, que está relacionada à densidade de um material e à velocidade do som dentro dele.
Uma grande diferença de impedância acústica, como entre aço e ar, provoca uma forte reflexão. É por isso que uma fissura aparece claramente.
Se uma onda sonora atinge um limite em ângulo, ela muda de direção ao entrar no novo material.
Esta curvatura é a refração (o mesmo efeito que faz um canudo parecer dobrado em um copo de água).
Este princípio, descrito pela lei de Snell, é utilizado para direcionar feixes sonoros para áreas que não estão diretamente sob o transdutor, como as faces inclinadas de uma solda.
Nem todo o som se reflete ou se refrata em um limite.
Parte da energia sonora continua através do novo material.
Isso é penetração.
O objetivo de uma inspeção ultrassônica é equilibrar reflexão e penetração para poder encontrar defeitos em todo o material sem perder o sinal sonoro.
Modos de ondas utilizados em UT
Os operadores podem selecionar diferentes tipos de ondas sonoras, ou modos de ondas, para uma inspeção.
Cada modo faz as partículas vibrarem no material de maneira distinta.
Essas diferentes vibrações têm características únicas para detectar tipos específicos de defeitos.
Aqui está uma lista desses diferentes tipos de vibrações:
- Ondas longitudinais, também chamadas de ondas L: As partículas se movem para frente e para trás na mesma direção em que a onda se propaga.
São as ondas sonoras mais rápidas e podem atravessar sólidos, líquidos e gases. São comumente utilizadas para medições de espessura. - Ondas de cisalhamento, ou ondas T: As partículas vibram perpendicularmente à direção de propagação da onda. Ondas de cisalhamento só se propagam através de sólidos e viajam mais lentamente que ondas longitudinais.
Sua alta sensibilidade a pequenos refletores as torna muito eficazes para inspecionar soldas. - Ondas de superfície, conhecidas como ondas de Rayleigh: Elas viajam ao longo da superfície de uma peça, um pouco como ondulações na água.
Sua energia está concentrada em uma camada muito superficial perto da superfície. Isso as torna perfeitamente adequadas para encontrar fissuras muito pequenas que rompem a superfície. - Ondas de placa, frequentemente chamadas de ondas de Lamb: Os técnicos as utilizam para inspecionar materiais finos como chapas metálicas ou painéis compostos. Essas ondas atravessam toda a espessura do material, guiadas por suas superfícies superior e inferior.
São úteis para varrer rapidamente grandes superfícies a partir de um único ponto de inspeção.
Estes são basicamente os 4 modos de ondas que você verá na prática. As mais amplamente utilizadas são as ondas L, mas, como engenheiro, você deve sempre selecionar aquela que corresponde às suas necessidades.
Equipamento e Métodos de Visualização
Para olhar dentro de um material com som, você precisa das ferramentas certas para criar o som, escutar o eco e exibir os resultados.
Um sistema de ensaio ultrassônico é composto por algumas peças-chave que funcionam juntas para transformar ondas sonoras invisíveis em dados utilizáveis por um engenheiro de qualidade.
Vamos detalhar um pouco mais os equipamentos agora que entendemos o que eles fazem.
Emissor, Transdutor e Visualização
O emissor/receptor é o cérebro da operação.
Esta unidade eletrônica gera um pulso elétrico poderoso e de alta tensão. Este pulso vai para o transdutor, que atua como a boca e os ouvidos do sistema.
Dentro do transdutor há um elemento piezelétrico.
Este cristal especial tem um excelente conjunto de características:
- Quando é atingido por um pulso elétrico, ele vibra rapidamente, criando a onda sonora de alta frequência que penetra na peça.
- Quando um eco de retorno atinge o cristal, ele faz o inverso. Ele vibra e gera uma tensão elétrica. O emissor/receptor então processa este sinal para a tela de visualização.
Os transdutores vêm em várias formas para diferentes trabalhos.
Os transdutores de elemento único são o padrão.
Os transdutores de elemento duplo utilizam cristais separados para emissão e recepção, o que os torna perfeitos para medir corrosão em superfícies rugosas.
Os transdutores de feixe angular enviam o som em ângulo, o que é perfeito para inspecionar soldas.
Os transdutores phased array contêm muitos pequenos elementos que podem ser pulsados individualmente para direcionar eletronicamente o feixe sonoro, dando mais controle e melhor qualidade de imagem.
Como você pode ver, é como escolher uma onda. Depende das suas necessidades.
A-scan, B-scan e C-scan
Uma vez que o sistema recebe um eco, ele deve ser exibido de uma maneira que um operador possa interpretar. Existem três formatos comuns.
O A-scan é a visualização mais fundamental.
É uma grade X-Y que se parece com um gráfico:
- O eixo horizontal representa o tempo que o som levou para viajar, que se relaciona com a distância no material.
- O eixo vertical mostra a amplitude, ou força, do eco de retorno. Um grande pico aparecendo na tela significa um refletor (um defeito ou a superfície traseira da peça).
Um B-scan fornece um perfil ou vista em corte transversal.
Quando você move o transdutor ao longo da peça, esta visualização mostra a profundidade dos refletores e seu comprimento ao longo do caminho de varredura.
Dá uma visão em 2D da estrutura interna do material.
Um C-scan oferece uma vista de cima, de olho de pássaro.
Ele mapeia os resultados na área de inspeção, mostrando a forma e o tamanho dos defeitos como se você os estivesse olhando de cima.
Isso produz uma imagem detalhada de todas as descontinuidades ocultas.
A confiabilidade dessas visualizações depende do bom funcionamento do instrumento.
A prática padrão para verificar o desempenho dessas ferramentas está descrita na ASTM E317-21. Este documento fornece métodos para verificar se o equipamento está funcionando conforme esperado.
Técnicas Comuns de Ensaio Ultrassônico
Vimos até agora que sempre há várias opções disponíveis, seja para equipamento, tipos de ondas ou estratégia.
Para fazer ondas sonoras entrarem em um material para inspeção, os técnicos escolhem, novamente, entre vários métodos. Esta escolha depende da peça ensaiada, do ambiente e do tipo de defeito que estão procurando.
Que surpresa, não é?
As principais abordagens são agrupadas em três categorias: ensaio por contato, ensaio por imersão e ensaio acoplado ao ar.
O ensaio por contato é o método mais comum, onde uma sonda é colocada diretamente na superfície do componente. Um gel ou líquido (o acoplante) é aplicado entre a sonda e a peça para ajudar a transmitir a energia sonora sem espaços de ar.
Muito similar à forma como um médico realizaria um ultrassom em uma mulher grávida.
O feixe direto, o feixe angular e a onda de superfície, que vimos no início deste artigo, pertencem todos a esta categoria de ensaios.
Para o ensaio por imersão, o componente é imerso em um tanque de água. A sonda também entra na água, mas não toca a peça.
A água atua como um meio perfeito, transportando o som da sonda para o componente. É muito eficaz para inspecionar peças com geometrias complexas e superfícies curvas, pois garante uma transmissão sonora consistente. O ensaio por imersão é geralmente realizado em laboratório
O ensaio acoplado ao ar é uma técnica especializada que utiliza o ar como meio para transmitir as ondas sonoras. Este método sem contato é perfeito para materiais que poderiam ser danificados ou contaminados por acoplantes líquidos, como certos compostos encontrados na indústria aeroespacial.
Técnicas UT Avançadas
Também existem técnicas menos comuns que você pode precisar conhecer.
Ensaio Ultrassônico Phased Array (PAUT)
O PAUT utiliza uma sonda com vários pequenos elementos.
Um computador controla esses elementos para direcionar e focar eletronicamente o feixe sonoro, criando imagens em corte detalhadas, um pouco como um ultrassom médico.
O desempenho desses sistemas pode ser verificado usando guias como ASTM E2491-13(2018).
Difração do Tempo de Voo (TOFD)
Utiliza duas sondas, uma emissora e uma receptora.
É muito sensível para dimensionar defeitos porque mede o tempo que as ondas sonoras levam para se curvar, ou difratar, desde as extremidades de um defeito.
Isso fornece medições de altura muito precisas para fissuras.
Captura Matricial Completa (FMC) & Método de Focalização Total (TFM)
Estes métodos combinados representam um avanço tecnológico poderoso:
- FMC captura todos os dados possíveis de uma sonda phased array.
- TFM utiliza esses dados com software para produzir uma imagem perfeitamente focalizada em cada ponto na área de inspeção.
É uma maneira muito eficaz de obter uma imagem clara do tamanho e localização de um defeito.
Transdutor Acústico Eletromagnético (EMAT)
Outra tecnologia sem contato.
Gera ondas ultrassônicas diretamente em um material condutor utilizando campos magnéticos em interação, evitando completamente a necessidade de um acoplante.
Isso faz do EMAT uma ótima técnica para inspeções automatizadas em alta temperatura e alta velocidade.
Ensaio por Ondas Guiadas
Por fim, mas não menos importante, é utilizado para inspecionar grandes estruturas como dutos em longas distâncias a partir de um único ponto.
Envia ondas sonoras que viajam ao longo da estrutura do componente, permitindo detectar corrosão e outros defeitos em áreas de difícil acesso (ou impossível acesso), como tubos enterrados.
A interpretação dos sinais complexos desta técnica requer treinamento especializado.
Limitações do Ensaio Ultrassônico
Embora o ensaio ultrassônico seja um método poderoso, não é uma solução perfeita para todos os desafios de inspeção.
Possui um conjunto de limitações.
A Necessidade de Especialização e Preparação
Primeiro, os resultados são tão bons quanto a pessoa que realiza o ensaio.
Um técnico experiente é necessário para realizar a inspeção e interpretar corretamente os dados.
É necessário um treinamento sólido para ser capaz de diferenciar entre sinais que indicam defeitos críticos e aqueles provenientes da geometria da peça ou de estruturas internas aceitáveis.
O equipamento também requer preparação precisa.
Antes de uma inspeção, o sistema deve ser calibrado usando padrões de referência. São blocos especiais com defeitos conhecidos que fornecem uma base de referência para como um defeito real pode parecer.
Sem esses padrões, a caracterização de defeitos se torna não confiável.
Mesmo com um operador qualificado, falsos positivos podem ocorrer.
Às vezes, a forma de um componente cria reflexões, ou sinais parasitas, que se parecem com defeitos.
Distinguir estes dos problemas reais exige um alto nível de treinamento e experiência da pessoa realizando a inspeção.
Restrições de Materiais e Superfície
O estado da superfície da peça também é um fator ao qual se deve prestar atenção.
Para que o som passe da sonda para o material, a superfície deve ser relativamente lisa e limpa. Qualquer carepa solta, ferrugem ou tinta deve ser removida para obter um sinal limpo.
Tinta adequadamente aderida pode às vezes permanecer.
O ensaio convencional também requer um acoplante, como um gel ou líquido, para preencher os espaços de ar microscópicos entre a sonda e a peça.
Embora necessário, isso pode ser inconveniente e difícil em alguns canteiros de obra. Esta etapa não é necessária para métodos sem contato como EMAT ou ensaio ultrassônico a laser.
Certos materiais e formas são difíceis de inspecionar.
Peças muito rugosas, de forma irregular, excepcionalmente finas ou muito pequenas podem ser problemáticas.
Materiais com estrutura de grão grosso, como ferro fundido, dispersam as ondas sonoras, por exemplo.
Isso cria um ruído de sinal elevado e torna difícil a detecção de defeitos reais.
Obstáculos Técnicos e de Equipamento
A orientação de um defeito pode torná-lo invisível.
Um defeito localizado paralelamente ao caminho do feixe sonoro pode não refletir energia de volta para a sonda. Isso significa que pode passar completamente despercebido durante a varredura.
E finalmente, o custo do equipamento pode ser uma consideração importante.
Instrumentos ultrassônicos profissionais e sondas especializadas necessárias para diferentes aplicações representam um investimento financeiro significativo. Frequentemente está fora do alcance de muitas pequenas, médias e até algumas grandes empresas.
Aplicações Industriais e Normas
O ensaio ultrassônico é amplamente utilizado entre as indústrias mais exigentes.
Sua capacidade de encontrar defeitos profundamente dentro de um material o torna uma ferramenta confiável para controle de qualidade e verificações de segurança. De usinas elétricas massivas a componentes de aeronaves delicados, o ensaio ultrassônico fornece informações valiosas sem causar danos.
No setor de energia, os técnicos utilizam o ensaio ultrassônico para inspecionar equipamentos sob pressão, tubulações e novas soldas.
Ajuda a avaliar danos de corrosão e detectar fissuras que se formam durante o serviço.
A indústria de dutos depende fortemente do ensaio ultrassônico para qualidade de soldas circunferenciais. A API 1104 (22ª edição) é um documento que aceita métodos avançados como PAUT e TOFD como alternativas poderosas à radiografia tradicional.
Você também encontrará o ensaio ultrassônico na aeroespacial para verificar trens de pouso e componentes de motor. Em transportes, inspeciona trilhos de trem e eixos para fadiga. Para infraestruturas, verifica a qualidade de soldas em vigas de aço.
Até o campo médico utiliza esta tecnologia para imageamento diagnóstico porque não envolve radiação ionizante.
Normas para Ensaio Ultrassônico
Você viu como funciona o ensaio ultrassônico, do envio de ondas sonoras com um transdutor à interpretação dos ecos em uma tela.
Cobrimos diferentes técnicas como pulso-eco e métodos avançados incluindo PAUT, mostrando seu valor nas indústrias aeroespacial, manufatureira e energética.
Para realizar essas inspeções de maneira segura e consistente, os engenheiros dependem de normas.
Esses documentos fornecem os procedimentos comuns e critérios de aceitação necessários para resultados confiáveis.
É bom lembrar que muitas dessas normas são adotadas em nível estadual ou nacional. Isso frequentemente torna a conformidade uma parte obrigatória de contratos comerciais e industriais, transformando essas diretrizes em requisitos legais.
Esta coleção de normas é atualizada regularmente para refletir novas tecnologias e descobertas. É seu papel como engenheiro de métodos selecionar a norma correta para realizar os ensaios em suas peças/produção.
Conclusão
Vimos os fundamentos do ensaio ultrassônico, mostrando como este método não destrutivo utiliza som de alta frequência para olhar dentro dos materiais.
Sua capacidade de detectar defeitos internos e medir espessura o torna uma ferramenta de controle de qualidade moderna e eficaz.
Da aeroespacial à manufatura, uma ampla gama de indústrias depende de inspeções ultrassônicas.
A técnica fornece dados para tomar decisões informadas sobre segurança e confiabilidade de componentes, estruturas e sistemas.
A tecnologia avançou muito além dos métodos simples de pulso-eco.
Técnicas avançadas como phased array (PAUT), difração do tempo de voo (TOFD), ou captura matricial completa (FMC) oferecem agora capacidades de imageamento incrivelmente detalhadas.
Mas esteja ciente,
Executar essas inspeções corretamente requer técnicos altamente qualificados que sigam diretrizes da indústria rigorosas. Isso requer uma compreensão sólida da ciência e equipamentos por trás dos dados e não pode ser utilizado em todas as situações.
É também um instrumento muito caro que requer orçamento e necessidades significativas.
A aplicação adequada do ensaio ultrassônico é um investimento direto em segurança e desempenho. Ajuda a prevenir falhas em aplicações de engenharia mecânica, o que protege o pessoal e prolonga a vida operacional de ativos valiosos.
Perguntas Frequentes
O que é ensaio ultrassônico em termos simples? É um método que utiliza ondas sonoras de alta frequência, similar a um ultrassom médico, para ver dentro de um material sem danificá-lo. Essas ondas sonoras atravessam a peça e retornam dos defeitos internos ou da superfície traseira, revelando defeitos ocultos.
Por que é chamado de “não destrutivo”? É chamado de não destrutivo porque o processo de inspeção não danifica nem modifica a peça examinada. Você pode ensaiar um componente e colocá-lo imediatamente de volta em serviço se nenhum defeito for encontrado.
O ensaio ultrassônico é seguro para as pessoas? Sim, as ondas sonoras de alta frequência utilizadas neste método são inofensivas para operadores e qualquer pessoa próxima. É diferente de outros métodos como radiografia, que utilizam radiação ionizante.
Que problemas comuns o ensaio ultrassônico pode encontrar? Esta técnica é excelente para encontrar problemas internos como fissuras, vazios e porosidade profundamente dentro de um material. Também é muito precisa para medir a espessura de um material, por exemplo, para verificar corrosão.
É necessário preparar a superfície antes do ensaio? Sim, a superfície deve estar suficientemente limpa e lisa para que as ondas sonoras penetrem adequadamente no material. Tinta solta, ferrugem ou carepa espessa devem ser removidas antes da inspeção.
Pode ser usado em qualquer material? Funciona melhor em materiais densos e uniformes como metais, plásticos e compostos. Materiais muito grossos, como alguns ferros fundidos, ou muito macios podem ser difíceis de inspecionar porque dispersam ou absorvem demais as ondas sonoras.
Como escolher entre as técnicas de pulso-eco e transmissão por transparência? Você usa o método de pulso-eco quando tem acesso a apenas um lado da peça, que é a abordagem mais comum. A transmissão por transparência, que requer acesso a ambos os lados para sondas de emissão e recepção separadas, é geralmente utilizada para materiais que enfraquecem fortemente as ondas sonoras.
Qual é o papel da impedância acústica no ensaio ultrassônico? A impedância acústica é a resistência de um material à passagem do som através dele. Quando ondas sonoras atingem um limite entre dois materiais com impedâncias acústicas diferentes, como aço e ar em uma fissura, parte da energia sonora é refletida. É esta reflexão que nos permite detectar o defeito.
Quando se usaria ondas de cisalhamento em vez de ondas longitudinais? Ondas de cisalhamento são geralmente introduzidas em uma peça em ângulo e são muito sensíveis a descontinuidades que não são paralelas à superfície. Isso as torna muito eficazes para inspecionar soldas em busca de defeitos como falta de fusão ou fissuras ao longo da linha de fusão.
Qual é a principal diferença entre ensaio ultrassônico convencional e ensaio ultrassônico phased array (PAUT)? O ensaio ultrassônico convencional utiliza uma sonda com um único cristal que envia um feixe sonoro em uma direção. O ensaio ultrassônico phased array utiliza uma sonda com muitos pequenos elementos que podem ser pulsados individualmente. Isso permite que o feixe sonoro seja direcionado e focalizado eletronicamente sem mover a sonda, criando imagens detalhadas similares a um corte transversal da peça.
Por que padrões de referência são necessários para inspeção ultrassônica? Padrões de referência, que são blocos de material com defeitos fabricados conhecidos, são utilizados para calibrar o equipamento. Esta calibração estabelece uma base de referência para a inspeção, permitindo ao técnico determinar com precisão a localização, tamanho e tipo de um defeito encontrado no componente real.
